高超声速圆锥边界层转捩反转数值研究

为研究高超声速边界层转捩中存在的转捩反转现象,基于雷诺平均的N-S方程,采用γ转捩模型对高超声速圆锥体绕流进行数值模拟,得到了圆锥边界层转捩位置随攻角、头部钝度的变化规律,分析了圆锥边界层转捩反转现象的流动机理.结果表明：当圆锥头部钝度增大到一定值时,圆锥边界层转捩位置随攻角增大呈现迎风面提前、背风面推迟的反转现象;圆锥边界层转捩出现攻角反转现象时,迎风面摩阻系数明显大于背风面摩阻系数且转捩前后摩阻变化更大,此时应重点关注迎风面的热防护;在零攻角条件下,随着圆锥头部钝度从很小值逐渐增大,圆锥边界层转捩位置呈现出“N”型反转现象;圆锥头部钝度增大到一定值时出现的边界层转捩反转现象的可能原因是随钝度增大头部激波后熵层高度显著增大引起的.     

高超声速钝头体表面热流的数值模拟

高超声速飞行器表面热流的精确预测对于飞行器的安全至关重要。传统的模拟方法在预测热流中主要包括两个难点,一是传统的计算格式数值粘性太大;二是熵修正函数的引进限制了热流分辨率。为了解决上述两个问题,通过设计一可调参数,引进了可调数值粘性格式。为了使该格式适用于高超声速流动模拟,通过反扩散方法,将格式一致提升至二阶精度,并引进了与之相适应的熵修正函数。对三维球头和钝锥绕流进行了数值实验,结果表明,相对于传统格式,修正后的可调数值粘性格式可以显著降低热流计算对网格的依赖性,提高计算精度。     

基于AUSMDV格式的高超声速钝体绕流的数值模拟

围绕高超声速高温流场的高温效应问题,采用有限体积法,以及熵修正的AUSMDV格式,利用时间分裂法求解了完全气体和化学非平衡流场。求解了SOD2激波管问题,并与精确解进行了对比,分析和验证了AUSMDV格式捕获间断的能力。化学非平衡流求解中采用Park化学动力模型,化学反应源项采用准定常法(The New Quasi-Steady-State-Approach)处理,克服了化学反应源项引起的刚性问题,结果与CEA程序的计算结果进行了比较,研究了高超声速圆柱绕流流场,分析了化学反应对流场的影响。结果证明了计算方法与程序的有效性和实用性。     

压缩折角激波-湍流边界层干扰直接数值模拟

进行了来流Mach数2．9,24°压缩折角激波．湍流边界层干扰的直接数值模拟,在上游的平板添加扰动以激发边界层转捩到湍流．计算得到的统计结果与实验吻合,验证了结果的可靠性．分析了角部分离区附近湍能的生成、耗散及分配机制．结果显示角部区域激波与湍流边界层相互作用造成大量湍动能产生,而湍动能的主要耗散区仍在近壁．湍流输运项起到了主要的平衡机制,把湍动能由外层输运到近壁区．通过对激波后及壁面瞬时压力的分析,认为激波低频振荡并非上游扰动弓』起,而是由于分离泡本身不稳定振荡产生的．     

可压缩钝楔边界层转捩到湍流的直接数值模拟

直接数值模拟了来流Mach数为6的钝楔边界层在特定扰动(音速点附近壁面吹吸)下的转捩到湍流的整个过程. 分析了平均速度剖面, 脉动速度均方根及剪切应力等统计量, 并与不可压理论及实验结果进行了比较. 展示了转捩过程中的涡结构并分析了压力梯度对转捩的影响.     

高精度有限差分法与复杂流动的数值模拟

针对非定常多尺度复杂流动特征,介绍了高精度有限差分法.用Taylor级数和Fourier分析两种方法分析了数值解的特性,色散和耗散效应可能给数值解带来的影响,及对网格Reynolds数的限制,给出了物理尺度和网格尺度之间的关系.对比分析了谱方法和差分法中的混淆误差.最后数值模拟了几种典型复杂流动:可压三维平面混合流,充分发展的可压和不可压槽道湍流,及二维涡---激波干扰声场.     

高雷诺数情况下钝体绕流的数值模拟

在高雷诺数 (Re=1× 1 0 4)情况下 ,利用流函数———涡量法在二维空间对半圆半椭圆的拼接体 (新月形覆冰导线的截面 )绕流流场的流动结构、涡的变化及气动力特性进行数值模拟 .将模拟过程用于圆柱体和半圆半椭圆拼接体 ,结果与前人的研究结果及试验值相吻合 ,验证了此数值模拟过程的合理性     

串列钝体绕流的数值计算

用二阶投影法求解二维不可压粘性流体的N -S方程 ,计算了高雷诺数Re=1× 10 5下串列圆柱的非定常绕流 ,得到的阻力系数及斯特劳哈尔数与试验结果吻合良好 ,结合工程实际 ,用同一程序计算预测了钢管混凝土拱桥哑铃型拱肋的阻力系数和涡脱频率     

平壁附近钝体绕流的数值模拟

采用有限差分法,模拟粘性流绕平壁面附近的圆柱的流动。流动方程采用涡量-流函数形式。涡量输运方程采用ADI方法求解,流函数方程采用SOR方法求解。计算网格采用椭圆型贴体曲线网格技术数值生成。考察了缝隙比（e/D)对圆柱尾流的影响,得到了与实验基本符合的结果。     

振荡流底边界层运动的数值研究

将大涡模拟法简化为二维形式,利用SGS格子涡模型封闭二维Navier-Stokes方程水流运动方程组,得到平底振荡流动边界层立面二维水流数值模拟,控制方程采用SMAC法求解,计算结果与水槽实验的实测资料比较较表明,该模型能够模拟振荡流边界流动特性,并进一步讨论了振荡流边界的紊动特性沿垂线分布和随相位变化的情况。     

二维高超音速边界层扰动演化的数值研究及小激波的存在对流场结构的影响

采用三种不同的计算格式对Mach数为6, 8, 10的高超音速边界层中的二维扰动的扰动演化做了直接数值模拟. 在入口处引入不同幅值的第二模态T-S波, 研究了小激波开始生成时扰动幅值大小与Mach数的关系. 通过对扰动速度剖面与线性稳定性理论值的比较, 研究了小激波对流场结构的影响.     

高超声速湍流边界层中由高温引起的变比热效应及其计算

对于高超声速飞行器,边界层内的温度往往超过600K,这时候分子的振动自由度将被激发,完全气体模型将不再适用.本文以高超声速平板湍流边界层为研究对象,用比热为常值的完全气体模型和考虑比热变化的气体模型对其进行了直接数值模拟.比较两种模型的计算结果发现,二者所给出的湍流边界层内只与速度有关的量差别很小,但与温度有关的量,如平均温度、脉动温度等,则有显著的差别.另外,通过数值验证,发现平均比热比与由平均温度计算出的比热比非常接近,这给用只以平均温度为变量的湍流模式计算变比热气体模型下的湍流,提供了一定的理论基础.文中用SST湍流模式,验证了用湍流模式计算变比热气体湍流的可行性.     

高超声速喷管中水蒸气凝结的数值研究

我们针对高超声速燃烧加热风洞喷管流动的大扩张比、高马赫数、高低温气体并存和高水蒸气含量的特点,发展了兼顾高温气体效应与水蒸气非平衡凝结过程影响的有限体积计算方法,对伴随水蒸气凝结的喷管流动的机理开展了数值研究.计算中,凝结模型采用Hill矩方法进行模拟.数值分析着重关注喷管进出口气流的参数变化.结果表明,燃烧加热风洞的凝结问题计算中,应考虑高温气体效应的影响,以保证结果的合理性;随总温、水蒸气含量等参数的不同,喷管流动中的凝结现象会呈现明显不同的特征,适量的水蒸气含量和较低的总温会使得凝结后的流场参数发生显著改变.     

煤粉钝体燃烧器的数值模拟及稳燃机理的研究

本文对煤粉钝体燃烧器中煤粉气流的流动、传热传质和燃烧过程进行了计算机数值模拟,并在实验及计算的基础上,对钝体使煤粉火焰稳定的机理进行了探讨和分析.     

绕流三角形钝体的通道流场的数值预测

本文从流体流动和传热的角度,对二维平行平板通道中空气绕流三角形钝体的流场进行了数值预测和相应的实验验证。湍流的时均值方程组用k-ε模型封闭,并经流函数-旋涡度变换后用有限差分法进行数值求解,在对流场壁面边界的处理上采取了更为简便的近似办法。     

变比热真实气体效应的高超声速槽道湍流直接数值模拟

在高超速情况下,利用直接数值模拟方法,我们研究了真实气体效应(振动由度激发导致比热随温度变化)对槽道湍流影响,并与不考虑振动由度激发情况进行了比较.我们发现振动能激发对统计平均量影响主要体现在温度上,它能够抑制湍流场中平均温度升高;而对于密度,速度及压强影响很小.振动由度激发使原分运动更加剧烈,以致湍流场趋于平坦,表现为脉动值、相关函数及互相关函数减小.同时,由于振动能激发过程是一个吸热过程,因此它对湍流有抑制作用,表现在减小涡量、抑制湍能成及耗散等方面.振动由度激发对于湍流两点相关量、偏斜因及平坦因影响很小.     

弹丸跨声速粘性绕流数值计算

用数值模拟方法研究弹丸跨声速绕流的流动特性,数值模拟的出发方程为平均雷诺数的Ｎ－Ｓ方程,湍流模型有用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ模型,数值格式为四阶的ＭＵＳＣＬ ＴＶＤ格式。     

数值模拟入射斜激波／平板湍流边界层干扰流动

应用GAO-YONG可压缩湍流模型数值计算了入射斜激波／平板湍流边界层相互干扰现象。计算程序中的对流项、扩散项分别采用AUSM格式和中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程。计算中包含了无分离流动、初始分离流动以及较大分离流动等多个情况,比较了平板壁面压力、法向平均速度剖面、壁面摩阻系数Cf以及壁面斯坦顿数St等的计算结果与实验值。结果发现：GAO-YONG可压缩湍流模型能够很好地预测入射斜激波／平板湍流边界层相互干扰下的无分离以及小分离流动,对高马赫数下的大分离流动也能得到较合理的结果,但再附点之后的壁面摩阻系数以及斯坦顿数的计算值不够理想。     

二维不可压缩粘性流体绕钝体流动的数值模拟

钝体绕流和流至振动问题是流体力学的经典研究课题之一.钝体的尾迹流动伴随着复杂的分离和漩涡脱落现象.绕流作用在物体上的纵向和横向流体动力载荷会诱发弹性结构的振动响应.就此,介绍了钝物体绕流的基本特征和典型二维不可压缩粘性流体的圆柱绕流特性.     

全隐式E-CUSP迎风格式大攻角分离流数值模拟

采用全隐式、低耗散E-CUSP格式,通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程耦合Spalart-Allmaras(SA)湍流模型,模拟了细长旋成体在超声速、大攻角下的流场,分析了背风面涡的发展过程.结果表明:E-CUSP格式耦合SA湍流模型能够准确地模拟背风面的流动分离和精细的二次涡,对横向分离具有较高的模拟精度;预测的物面压力系数分布和激波位置与实验数据吻合良好,力和力矩的相对误差在1.98%之内;E-CUSP格式可用于模拟复杂的分离流动,具有高的计算精度和效率.